一种评价立体种养模式中养分循环状态的方法

摘要

本发明公开一种评价立体种养模式中养分循环状态的方法，将立体种养系统分为两个子系统，链接两个子系统的关键部位为链接部位1和链接部位2；在栽培作物的生长周期内，对链接部位1和链接部位2的水进行采样，分别测定水中的氮、磷、钾的浓度；同时，对作物各器官进行测定作物各器官中的氮、磷、钾含量；则在作物生长周期内，水的养分总差值应与作物收获时的养分总量的一定置信区间内的值相等，才能达到系统内养分的可持续的循环平衡。该方法能够确定种养结合系统中适宜水培的作物种类及组合，并通过对养殖水养分的监测来实现对系统中养分的调控，从而选择出适宜不同水产养殖条件下的作物及作物组合及养分调控技术应用于立体种养模式中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种评价立体种养模式中养分循环状态的方法。

背景技术

新型水产养殖与蔬菜耦合的立体种养结合系统已经成为立体复合种植与养殖水循环利用的常见立体优化种养系统，在该系统中利用水产养殖所产生的富营养化的养殖水作为作物的水分供养体，从而可以实现作物对养殖水中养分的多层次吸收拦截。这些立体养殖系统均采用了立体种植的方法实现了水体净化或提高资源了的合理利用，具有节省空间、丰富种植模式的重要意义，而且从整体上提高了经济效益，有的系统中还结合了计算机进行自动化的控制实现了精细化的处理。然而面对这种新型的立体种养系统，虽然现在已探索出多样化的水产养殖及作物耦合的立体种养模式，但是却没有科学的方法评价这种新型的种养系统是否能够达到长期的可持续循环。

一个种养系统可持续运行的条件就在于系统中的环境物理条件和养分状态是否能够满足系统中生物的生存条件，在满足环境条件的前提下（主要包括光照、温度、湿度、水中溶氧条件，即很容易通过人工设备来调控），养分状态就是决定一个系统是否可持续的关键。其中水产养殖与作物耦合的立体种养系统中，需要满足的关键条件是水产养殖水要满足系统中栽培作物的养分需求，所以必须要针对立体种养系统内养分循环状况进行评价，从而判断以上条件是否满足，若满足则系统可在良好的状态下持续运行。若条件不满足，则需要补充一定的养分或更换系统中栽培的作物，来实现对条件的调控。

现有研究表明，不同的植物在水培条件下根部对水中养分吸收的效率是不同的。所以，通过测定立体种养系统中不同植物对循环水体中养分吸收贡献率的测定，能够选择出适用于不同立体种养结合系统中，适合系统可持续循环的立体种养组合，从而在生产上具有指导意义。同时，水产养殖中不同的鱼类需要不同的水环境和鱼饲料以满足其生长，面对多样化的水产养殖环境，水产养殖水中的养分状况也更加复杂。现有的技术只是单一地从种养结合方面来实现立体种植，却不能够准确地掌握立体循环系统中养分的循环规律，从而忽略养分的调控对于系统的可持续运行的重要作用，不利于立体种养结合系统中各个物种在时间和空间上资源利用的合理化，同时也不利于该系统的多样化及深入化的开发利用。

发明内容

为克服现有立体种养结合的养殖系统中对养分的可持续循环问题的忽略，存在不能区分不同生物对系统养分循环贡献率等问题，本发明提供一种评价立体种养模式中养分循环状态的方法，从而为立体种养系统养分的可持续循环提供依据。

本发明通过下列技术方案实现：一种评价立体种养模式中养分循环状态的方法，经过下列各步骤：

（1）将待评价的水产养殖与作物耦合的立体种养系统分为两个子系统，一是栽培作物子系统，二是水产养殖子系统；链接两个子系统的关键部位包括两个，一是由水产养殖子系统循环进入栽培作物子系统的链接部位1，二是由栽培作物子系统循环进入水产养殖子系统的链接部位2；

（2）在栽培作物的生长周期S内，分N次对链接部位1和链接部位2的水进行采样，分别测定水中的氮、磷、钾的浓度；同时，对作物各器官进行采样1次，分别测定作物各器官中的氮、磷、钾含量；进而评价由水产养殖子系统循环到作物栽培子系统的循环水是否能够满足作物栽培子系统中作物生长的需要；

该系统中养分随着介质进行着循环并发生着变化，养分的输入主要通过水产养殖子系统，即饲料的添加来实现。养分的输出则主要通过栽培作物子系统的收获来实现。栽培作物子系统中栽培的介质的水量和水产养殖子系统中养殖的介质的水量是一定的，而且整个系统的驱动是由一个动力系统控制，那么链接部位1和链接部位2的单位时间内的系统流量（F），即水流量是相同的，同时该系统内的介质循环才能够保持平衡。

一定时间T内，由水产养殖子系统流向栽培作物子系统的水量为T×F，由栽培作物子系统流向水产养殖子系统与之相同也为T×F，虽然两个系统水量的交换在单位时间内是相同的，但是由于栽培作物子系统对养殖水中养分的吸收，则从链接部位1进入的水的养分浓度比从链接部位2流出的养分浓度要高。假设其中一种养分的浓度在进入栽培作物子系统前的浓度为C1，出水产养殖子系统的浓度为C2，则一定时间T内栽培系统吸收的该养分总量为T×F×C1-T×F×C2=T×F(C1-C2)，单位时间内子系统吸收的养分量为T×F×(C1-C2)/T=F×(C1-C2)。由于在作物栽培的各个阶段养分吸收的速率不同以及饲料投入后养殖水中养分释放的速率不同，所以应在不同的阶段采样测得链接部位1、链接部位2的浓度。假设作物的整个生长周期为S，连接点处（包括链接部位1和链接部位2）采样次数为N次，N=S/7（每周一次），作物采样次数为1次。水样采集的时间固定，并在早上10:00左右进行采样，如果一个系统中有多个链接点，那么至少应在3个链接点处，采样并取平均值，在本系统中养分主要是决定植物生长的大量元素养分（氮、磷、钾）。

所测的结果如下表所示：

表1连接点处不同氮、磷、钾养分浓度测定

表2作物器官养分测定

其中N%指各器官总N含量，P%为各器官总P含量，K%为各器官总K含量；

（3）对步骤（2）所得结果依据以下的养分平衡公式进行判断系统内的养分是否能够持续有效地循环：

对于系统中的氮养分：

在作物生长周期S内链接部位1和链接部位2的养分总差值Nc应与作物收获的养分总量Nh相等，即：

在作物生长周期S内链接部位1和链接部位2的氮养分总差值为NH₄⁺—N，NO₃—N养分浓度的总差值分别为：

NH₄⁺—N的养分总量差值=F×（C_a1(1)-C_a2(1)）+F×（C_a1(2)-C_a2(2)）+……+F×（C_a1(N)-C_a2(N)）

NO₃—N的养分总量差值=F×（C_n1(1)–C_n2(1)）+F×（C_n1(2)–C_n2(2)）+……+F×（C_n1(N)–C_n2(N)）

则在作物生长周期S内链接部位1和链接部位2的氮养分总差值为：

Nc=[F×（C_a1(1)-C_a2(1)）+F×（C_a1(2)-C_a2(2)）+……+F×（C_a1(N)-C_a2(N)）]+[F×（C_n1(1)–C_n2(1)）+F×（C_n1(2)–C_n2(2)）+……+F×（C_n1(N)–C_n2(N)）]

则作物收获时的养分总量Nh为根生物量U，叶生物量L果实生物量H各器官中氮养分含量总量分别为：

总的根部分N养分为=U×N%

总的叶部分N养分为=L×N%

总的果实部分N养分为=H×N%

则在作物收获时的养分总量为：

Nh=U×N%+L×N%+H×N%

则在作物生长周期S内，S×Nc应与Nh一定置信区间内的值相等，即S×Nc~[95%Nh，105%Nh]，才能达到系统内养分的可持续的循环平衡；

对于系统内的其他两种养分磷和钾的有效循环判断与氮养分的相同。

所述步骤（1）的栽培作物子系统包括栽培主体（作物）、栽培载体（栽培床）、栽培的介质（由水产养殖子系统循环到作物栽培子系统的养殖水）。

所述步骤（1）的水产养殖子系统包括养殖主体（鱼）、养殖载体（养殖塘）、养殖介质（由作物栽培子系统循环回流到水产养殖子系统中的循环水）。

步骤（3）中，当S×Nc大于或小于置信区间时，都说明整个系统内的氮养分没有达到可持续循环的条件，需要一定的调控措施。

当S×Nc大于Nh时，说明作物对水中氮养分的吸收不足，会导致整个系统中氮养分过剩，这会影响水产子系统中水质，从而影响鱼类生长，可通过调整种植作物的种类（例如，对氮吸收较多的作物）或通过在作物子系统中添加氮处理装置（例如，添加硝化细菌的净水装置）来调节水体中过剩的氮养分。当T×Nc小于Nh时，说明水产子系统中产生的氮养分无法满足作物的正常生长，可通过调整种植作物的种类（例如，对氮吸收较少的作物）或通过人工补充氮养分（例如，喷洒叶面氮肥）来解决系统中氮养分不足的问题。

本发明具备的优点：该方法能够检测出种养结合系统中水产养殖水里氮、磷、钾养分的含量及不同的作物及作物组合对水体中养分的吸收量，从而确定种养结合系统中适宜水培的作物种类及组合，并通过对养殖水养分的监测来实现对系统中养分的调控，从而选择出适宜不同水产养殖条件下的作物及作物组合及养分调控技术应用于立体种养模式中，为新型种养模式提供理论支撑。

附图说明

图1为本发明步骤（1）的子系统划分示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

以都市农庄中多层蔬菜栽培床与常用食用鱼立体种养结合的系统为评价对象，对系统中氮、磷、钾养分的循环状况进行评价：

该系统可实现蔬菜对水肥的多层次吸收、拦截，最大程度的消除富营养化养殖水中氮、磷等营养物质，使水体达到净化要求后再循环回流补给养鱼水。通过构建系统内动植物新型营养链，变废为宝，使体系内的水肥得到循环利用，实现种养结合，整个系统生产循环过程中实现高密度、高收益、节水节肥和零排放。

生态大棚种养系统包括中蔬菜种植区和水产养殖区。操作平台下部为鱼类养殖池，操作平台上方为多层栽培床和单层栽培床，其中多层栽培床为4层，单层栽培床面积与多层栽培床面积相等。系统运行期间，环境温度22.0-29.0℃，相对湿度45%-85%，养殖水温度21.0-23.0℃，pH值6.5-7.5，系统流量为100ml/s。该系统中，可供种植的作物包括：空心菜，生菜，小白菜，韭菜，其中，单层栽培床种植的作物为单一作物，多层栽培床种植的作物可为四种作物的任意组合（在该实例中，为四种蔬菜的组合）。该系统养殖的鱼类为混合养殖包括：鲫鱼，鲤鱼及草鱼。栽培作物的生长周期为42天，作物采样设置1次，对链接部位1和链接部位2的水进行采样的采样次数为42天/7=6次。

（1）将待评价的水产养殖与作物耦合的立体种养系统分为两个子系统，一是栽培作物子系统，二是水产养殖子系统（如图所示）；链接两个子系统的关键部位包括两个，一是由水产养殖子系统循环进入栽培作物子系统的链接部位1（如图所示），二是由栽培作物子系统循环进入水产养殖子系统的链接部位2；

（2）在栽培作物的生长周期S=42天内，分6次对链接部位1和链接部位2的水进行采样，分别测定水中的氮、磷、钾的浓度；同时，对作物各器官进行采样1次，分别测定作物各器官中的氮、磷、钾含量；进而评价由水产养殖子系统循环到作物栽培子系统的循环水是否能够满足作物栽培子系统中作物生长的需要；

所测的结果如下表所示：（以磷含量进行详细叙述）

表3单层种植床（作物为空心菜）连接点处磷养分浓度的测定（mg/kg）

单层种植床（作物为空心菜），共10个栽培床，42天内P养分在两个连接点处的养分差值=42天×24h×3600s×100ml/s×10床×(0.557-0.547+0.615-0.459+0.711-0.634+0.731-0.403+0.715-0.48+0.706-0.492)=3.70kg

表4单层种植床（作物为生菜）连接点处磷养分浓度的测定（mg/kg）

单层种植床（作物为生菜），共10个栽培床，42天内P养分在两个连接点处的养分差值=42天×24h×3600s×100ml/s×10床×(0.557-0.521+0.615-0.507+0.711-0.614+0.731-0.653+0.715-0.46+0.706-0.581)=2.54kg

表5单层种植床（作物为小白菜）连接点处磷养分浓度的测定（mg/kg）

单层种植床（作物为小白菜），共10个栽培床，42天内P养分在两个连接点处的养分差值=42天×24h×3600s×100ml/s×10床×(0.557-0.543+0.615-0.514+0.711-0.624+0.731-0.451+0.715-0352+0.706-0.451)=3.99kg

表6单层种植床（作物为韭菜）连接点处不同氮、磷、钾养分浓度的测定（mg/kg）

单层种植床（作物为韭菜），共10个栽培床，42天内P养分在两个连接点处的养分差值=42天×24h×3600s×100ml/s×10床×(0.557-0.517+0.615-0.542+0.711-0.634+0.731-0.566+0.715-0.491+0.706-0.657)=2.28kg

表7多层种植床（作物为四种蔬菜组合）连接点处磷养分浓度的采样（mg/kg）

多层种植床（作物为四种蔬菜组合），共10个栽培床，42天内P养分在两个连接点处的养分差值=42天×24h×3600s×100ml/s×10床×(0.557-0.536+0.615-0.67+0.711-0.603+0.731-0.623+0.715-0.652+0.706-0.601)=1.27kg

表8作物器官养分测定

则在42天时作物收获的养分总量为：

空心菜的总养分量为：1977×0.13%+354×0.29%=3.60kg

生菜的总养分量为：894×0.23%+117×0.68%=2.85kg

小白菜的总养分量为：2067×0.10%+201×0.13%=2.33kg

韭菜的总养分量为：1173×0.13%+126×0.29%=1.90kg

蔬菜组合的总养分量为：1542×0.13%+222×0.29%=2.61kg

（3）培养床磷养分差值总量与作物收获的养分总量的置信区间关系为：

Pc（空心菜）=3.70～[3.42,3.78]

Pc（生菜）=2.54￠[2.71,2.99]

Pc（小白菜）=3.99￠[2.21,2.45]

Pc（韭菜）=2.28￠[1.81,2.00]

Pc（蔬菜组合）=1.27￠[2.48,2.74]

同理，该系统的培养床氮养分差值总量与作物收获的养分总量的置信区间关系为：

Nc（空心菜）=24.26～[23.03, 25.45]

Nc（生菜）=26.78￠[36.69, 40.55]

Nc（小白菜）=19.42￠[16.59, 18.33]

Nc（韭菜）=26.85￠[22.21, 24.55]

Nc（蔬菜组合）=15.61￠[17.59, 19.45]

该系统的培养床钾养分差值总量与作物收获的养分总量的置信区间关系为：

Kc（空心菜）=2.30～[2.21, 2.45]

Kc（生菜）=1.58￠[1.15, 1.27]

Kc（小白菜）=2.86～[2.76, 3.05]

Kc（韭菜）=2.97￠[2.43, 2.69]

Kc（蔬菜组合）=1.98￠[2.35, 2.59]

通过比较得出，适合这个系统的蔬菜品种为空心菜。当培养床养分差值总量小于蔬菜品种养分含量置信区间时，说明该种植方式从水产养殖子系统中带走的养分不充分，多余的养分会不断积累又循环进水产养殖子系统，从而导致水产养殖子系统的养分不断累积，从而影响整个系统中水产养殖子系统中鱼的生长状态。

当培养床养分差值总量小于蔬菜品种养分含量置信区间时，说明该种植方式从水产养殖子系统中带走的养分过多，会导致系统中养分越来越少，从而影响栽培作物子系统中作物养分的不足，从而影响整个系统中蔬菜的生长状态。